Детектор (радио)

В радиотехнике детектор тока или — это устройство или схема, которая извлекает информацию из модулированного радиочастотного напряжения. Этот термин относится к первым трем десятилетиям радио (1888–1918). В отличие от современных радиостанций, передающих звук ( звуковой сигнал ) на непрерывной несущей волне , ранние радиостанции передавали информацию с помощью радиотелеграфии . Передатчик включался и выключался, чтобы генерировать длинные или короткие периоды радиоволн, записывая текстовые сообщения азбукой Морзе . Таким образом, ранние радиоприемники могли воспроизводить «точки» и «тире» азбуки Морзе, просто различая наличие или отсутствие радиосигнала. Устройство, выполнявшее эту функцию в схеме приемника, называлось детектором . ^[1] различные детекторные устройства, такие как когерер , электролитический детектор , магнитный детектор и кристаллический детектор В эпоху беспроводной телеграфии использовались , пока их не вытеснила технология электронных ламп.

После того, как изобретение амплитудной модуляции (АМ) позволило разработать AM -радиотелефонию , передачу звука (аудио), во время Первой мировой войны этот термин стал обозначать демодулятор (обычно вакуумную лампу ), который извлекал аудиосигнал из несущая радиочастотная волна . Таково его нынешнее значение, хотя современные детекторы обычно состоят из полупроводниковых диодов , транзисторов или интегральных схем .

В супергетеродинном приемнике этот термин также иногда используется для обозначения смесителя , лампы или транзистора, который преобразует входящий радиочастотный сигнал в промежуточную частоту . Смеситель называется первым детектором , а демодулятор, извлекающий аудиосигнал из промежуточной частоты, называется вторым детектором . В микроволновой и миллиметровой волновой технологии термины «детектор» и «кристальный детектор» относятся к компонентам волновода или коаксиальной линии передачи, используемым для измерения мощности или КСВ , которые обычно включают в себя диоды с точечным контактом или диоды Шоттки с поверхностным барьером.

Детекторы амплитудной модуляции

Детектор конвертов

Простой диодный детектор. Вход AM (зеленый) выпрямляется диодом сначала . Выходное напряжение (красное) колеблется чуть ниже верхней границы при зарядке и разрядке конденсатора .

Огибающая сигнала — это кривая, очерчивающая форму сигнала. Основная категория методов AM-демодуляции включает обнаружение огибающей , поскольку огибающая AM-сигнала является исходным сигналом .

Диодный детектор представляет собой простой детектор огибающей. Он состоит из диода , включенного между входом и выходом схемы, а также резистора и конденсатора, подключенных параллельно от выхода схемы к земле, чтобы сформировать фильтр нижних частот . Их постоянная времени RC должна быть достаточно малой, чтобы разрядить конденсатор достаточно быстро, когда огибающая падает. фильтра При этом частота среза должна быть значительно ниже частоты несущей, чтобы достаточно ослабить несущую.

Ранней формой детектора огибающей был кристаллический детектор , который использовался в с кристаллами радиоприемнике . Более поздняя версия с использованием кристаллического диода до сих пор используется в кристаллических радиоприемниках. Ограниченная частотная характеристика гарнитуры устраняет радиочастотную составляющую, делая ненужным фильтр нижних частот.

Более сложные детекторы огибающей включают детектор утечки в сетке , пластинчатый детектор , детектор с бесконечным импедансом , их транзисторные эквиваленты и прецизионные выпрямители с использованием операционных усилителей.

Детектор продукта

Детектор продукта — это тип демодулятора, используемый для сигналов AM и SSB , в котором исходный сигнал несущей удаляется путем умножения принятого сигнала на сигнал на несущей частоте (или близкой к ней). Вместо преобразования огибающей сигнала в декодированный сигнал путем выпрямления, как это делает детектор огибающей, детектор продукта принимает произведение модулированного сигнала и гетеродина , отсюда и название. Путем гетеродинирования принятый сигнал смешивается (в некотором типе нелинейного устройства) с сигналом гетеродина, чтобы придать суммарную и разностную частоты смешиваемым сигналам, точно так же, как первый каскад смесителя в супергетерете создает промежуточную частоту. ; В этом случае частота биений низкочастотным модулирующим сигналом восстанавливается , а нежелательные высокие частоты отфильтровываются с выхода детектора продукта. Поскольку боковые полосы амплитудно-модулированного сигнала содержат всю информацию в несущей, смещенной от центра в зависимости от их частоты, детектор продукта просто смешивает боковые полосы в слышимый диапазон, чтобы можно было услышать исходный звук.

Схемы детекторов продуктов по существу представляют собой кольцевые модуляторы или синхронные детекторы и тесно связаны с некоторыми схемами фазочувствительных детекторов . Их можно реализовать с использованием чего-то простого, например, кольца диодов или одного полевого транзистора с двойным затвором , или чего-то столь же сложного, как интегральная схема, содержащая ячейку Гильберта . и радиолюбители обычно предпочитают детекторам огибающей детекторы, Коротковолновые слушатели поскольку они позволяют принимать сигналы как AM, так и SSB. Они также могут демодулировать передачи CW , если генератор частоты биений настроен немного выше или ниже несущей.

Детекторы частотной и фазовой модуляции

Детекторы AM не могут демодулировать FM и PM сигналы , поскольку оба имеют постоянную амплитуду . Однако AM-радио может обнаружить звук FM-вещания с помощью явления обнаружения наклона , которое возникает, когда радио настроено немного выше или ниже номинальной частоты вещания. Изменение частоты на одной наклонной стороне кривой радионастройки дает усиленному сигналу соответствующее локальное изменение амплитуды, к которому чувствителен AM-детектор. Обнаружение наклона дает меньшие искажения и подавление шума по сравнению со следующими специализированными FM-детекторами, которые обычно используются.

Фазовый детектор

Фазовый детектор — это нелинейное устройство, выходной сигнал которого представляет собой разность фаз между двумя колеблющимися входными сигналами. Он имеет два входа и один выход: на один вход подается опорный сигнал, на другой — фазово- или частотно-модулированный сигнал. Выходной сигнал представляет собой сигнал, пропорциональный разности фаз между двумя входами.

При фазовой демодуляции информация содержится в величине и скорости фазового сдвига несущей волны .

Дискриминатор Фостера – Сили.

Дискриминатор Фостера – Сили. ^[2]^[3] широко используемый FM-детектор. Детектор состоит из специального трансформатора с центральным отводом, питающего два диода в двухполупериодной цепи выпрямителя постоянного тока . Когда входной трансформатор настроен на частоту сигнала, выход дискриминатора равен нулю. Когда отклонения несущей нет, обе половины трансформатора с центральным отводом сбалансированы. Когда частота FM-сигнала колеблется выше и ниже несущей частоты, баланс между двумя половинами вторичной обмотки с центральным отводом нарушается, и возникает выходное напряжение, пропорциональное отклонению частоты.

Детектор соотношения

Детектор соотношения ^[4]^[5]^[6]^[7] представляет собой вариант дискриминатора Фостера – Сили, но один диод проводит ток в противоположном направлении и использует третичную обмотку предыдущего трансформатора. Выходной сигнал в этом случае берется между суммой напряжений диода и центрального отвода. Выход диодов подключен к конденсатору большой емкости, который устраняет AM-шум на выходе детектора отношения. Детектор соотношения имеет преимущество перед дискриминатором Фостера – Сили в том, что он не реагирует на AM-сигналы , что потенциально позволяет сэкономить ступень ограничителя; однако выходной сигнал составляет только 50% выходного сигнала дискриминатора для того же входного сигнала. Детектор отношения имеет более широкую полосу пропускания, но больше искажений, чем дискриминатор Фостера – Сили.

Квадратурный детектор

В квадратурных детекторах принятый FM-сигнал разделяется на два сигнала. Затем один из двух сигналов проходит через с высоким реактивным сопротивлением конденсатор , который сдвигает фазу этого сигнала на 90 градусов. Этот сдвинутый по фазе сигнал затем подается на LC-цепь, которая находится в резонансе на немодулированной, «центральной» или «несущей» частоте FM-сигнала. Если частота принятого FM-сигнала равна центральной частоте, то два сигнала будут иметь разность фаз 90 градусов , и говорят, что они находятся в «фазовой квадратуре» — отсюда и название этого метода. Затем два сигнала перемножаются в аналоговом или цифровом устройстве, которое служит фазовым детектором; то есть устройство, выходной сигнал которого пропорционален разности фаз между двумя сигналами. В случае немодулированного ЧМ-сигнала выходной сигнал фазового детектора — после фильтрации выходного сигнала ; то есть усредненная по времени — постоянная; а именно ноль. Однако если принятый FM-сигнал был модулирован, его частота будет отличаться от центральной частоты. В этом случае резонансный LC-контур будет дополнительно смещать фазу сигнала от конденсатора, так что общий фазовый сдвиг сигнала будет суммой 90 градусов, вызванных конденсатором, и положительного или отрицательного изменения фазы, вызванного LC-цепь. Теперь выходной сигнал фазового детектора будет отличаться от нуля, и таким образом можно восстановить исходный сигнал, который использовался для модуляции несущей FM.

Детектор ворот XOR

Описанный выше процесс обнаружения также может быть выполнен путем объединения в логическом элементе «исключающее ИЛИ» (XOR) ограниченного исходного FM-сигнала и либо копии этого сигнала, проходящей через сеть, которая накладывает фазовый сдвиг, который меняется в зависимости от частоты, например ( LC-цепь а затем также ограниченная) или несущая прямоугольной волны с фиксированной частотой на центральной частоте сигнала. Вентиль XOR создает поток выходных импульсов, рабочий цикл которых соответствует разности фаз между двумя сигналами. Из-за различной разности фаз между двумя входами с широтно-импульсной модуляцией генерируется сигнал (ШИМ). Когда к этим импульсам применяется фильтр нижних частот , выходная мощность фильтра увеличивается по мере того, как импульсы становятся длиннее, и его выходная мощность падает, когда импульсы становятся короче. Таким образом, восстанавливается исходный сигнал, который использовался для модуляции несущей FM.

Когда используется сдвинутая по фазе версия исходного сигнала, результатом является частотная демодуляция, поскольку разность частот между входами логического элемента XOR остается нулевой и, следовательно, не влияет на их фазовое соотношение.

При использовании несущей с фиксированной частотой результатом является фазовая демодуляция , которая в данном случае является интегралом исходного модулирующего сигнала.

Другие FM-детекторы

Менее распространенные, специализированные или устаревшие типы детекторов включают: ^[8]

Трэвис ^[9] или дискриминатор двойной настроенной цепи, использующий две невзаимодействующие настроенные цепи выше и ниже номинальной центральной частоты.
Дискриминатор Вейсса, в котором используется одна настроенная LC-схема или кристалл.
Дискриминатор счета импульсов, который преобразует частоту в последовательность импульсов постоянной амплитуды, создавая напряжение, прямо пропорциональное частоте.

Детектор с фазовой автоподстройкой частоты

Детектор с фазовой автоподстройкой частоты не требует частотно-селективной LC-сети для выполнения демодуляции. В этой системе генератор, управляемый напряжением (ГУН), синхронизируется по фазе с помощью контура обратной связи , который заставляет ГУН следовать изменениям частоты входящего FM-сигнала. Низкочастотное напряжение ошибки, которое заставляет частоту ГУН отслеживать частоту модулированного FM-сигнала, представляет собой демодулированный аудиовыход. Детектор с фазовой автоподстройкой частоты не следует путать с синтезатором частоты с фазовой автоподстройкой частоты, который часто используется в радиоприемниках AM и FM с цифровой настройкой для генерации частоты гетеродина .

См. также

Ссылки

^ Дж. А. Флеминг, Принципы электроволновой телеграфии и телефонии , Лондон: Longmans, Green & Co., 1919, стр. 364
^ US 2121103 , Сили, Стюарт В. , «Схемы реагирования на изменение частоты», выдан 21 июня 1938 г.
^ Фостер, Делавэр; Сили, С.В. (март 1937 г.), «Автоматическая настройка, упрощенные схемы и практика проектирования», Труды Института радиоинженеров , 25 (3): 289–313, doi : 10.1109/jrproc.1937.228940 , S2CID 51654596 , часть 1 .
^ США 2497840 , Сили, Стюарт Уильям , «Детектор угловой модуляции», выдан 14 февраля 1950 г.
^ США 2561089 , Андерсон, Эрл И., выдан 17 июля 1951 г.
^ Отчет LB-645: «Детекторы соотношения для FM-приемников» (15 сентября 1945 г.), выпущенный Радиокорпорацией Америки, Отдел обслуживания промышленности лабораторий RCA, 711 Fifth Avenue, NY, NY Перепечатано в Radio , страницы 18-20 (октябрь 1945 г.) ).
^ Сили, Стюарт В .; Авинс, Джек (июнь 1947 г.), «Детектор соотношения», RCA Review , 8 (2): 201–236.
^ Д.С. Эванс и Г.Р. Джессап, Руководство по УКВ-УВЧ (3-е издание) , Радиосообщество Великобритании, Лондон, 1976 г., страницы с 4-48 по 4-51.
^ Чарльз Трэвис, «Система автоматического регулирования частоты генератора», патент США: 2 294 100 (подана: 4 февраля 1935 г.; выдана: август 1942 г.). См. также: Чарльз Трэвис, «Автоматическая регулировка частоты», Труды Института радиоинженеров , вып. 23, нет. 10, страницы 1125–1141 (октябрь 1935 г.).

Внешние ссылки

СМИ, связанные с детекторами (радио), на Викискладе?
Простые структурные схемы и описания основных схем FM-передатчиков и приёмников: [1]

[1] Дж. А. Флеминг, Принципы электроволновой телеграфии и телефонии , Лондон: Longmans, Green & Co., 1919, стр. 364

[2] US 2121103 , Сили, Стюарт В. , «Схемы реагирования на изменение частоты», выдан 21 июня 1938 г.

[3] Фостер, Делавэр; Сили, С.В. (март 1937 г.), «Автоматическая настройка, упрощенные схемы и практика проектирования», Труды Института радиоинженеров , 25 (3): 289–313, doi : 10.1109/jrproc.1937.228940 , S2CID 51654596 , часть 1 .

[4] США 2497840 , Сили, Стюарт Уильям , «Детектор угловой модуляции», выдан 14 февраля 1950 г.

[5] США 2561089 , Андерсон, Эрл И., выдан 17 июля 1951 г.

[6] Отчет LB-645: «Детекторы соотношения для FM-приемников» (15 сентября 1945 г.), выпущенный Радиокорпорацией Америки, Отдел обслуживания промышленности лабораторий RCA, 711 Fifth Avenue, NY, NY Перепечатано в Radio , страницы 18-20 (октябрь 1945 г.) ).

[7] Сили, Стюарт В .; Авинс, Джек (июнь 1947 г.), «Детектор соотношения», RCA Review , 8 (2): 201–236.

[8] Д.С. Эванс и Г.Р. Джессап, Руководство по УКВ-УВЧ (3-е издание) , Радиосообщество Великобритании, Лондон, 1976 г., страницы с 4-48 по 4-51.

[9] Чарльз Трэвис, «Система автоматического регулирования частоты генератора», патент США: 2 294 100 (подана: 4 февраля 1935 г.; выдана: август 1942 г.). См. также: Чарльз Трэвис, «Автоматическая регулировка частоты», Труды Института радиоинженеров , вып. 23, нет. 10, страницы 1125–1141 (октябрь 1935 г.).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]